2 LED工作原理

　　要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，首先要掌握其工作原理。LED的亮度主要與VF、IF有關(guān)。LED的伏安特性見(jiàn)圖1，其中VF是LED的正向壓降、IF是正向電 流。當(dāng)正向電壓超過(guò)閾值(即導(dǎo)通電壓，如圖約1.7V)時(shí)，可近似認(rèn)為IF與VF成正比。由圖可知，LED的最高IF可達(dá)1A，而VF通常為2 V～4V。

　　圖1 LED的VF與IF 的關(guān)系

　　LED的正向壓降變化范圍比較大(可達(dá)1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會(huì)引起IF較大的變化，從而引起亮度的較大變 化。所以，通常LED的發(fā)光特性都用電流的函數(shù)來(lái)描述，而不是電壓的函數(shù)。但一般的整流電路的輸出電壓隨著電網(wǎng)電壓的波動(dòng)也會(huì)變化，由此可知，采用恒壓源 驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的特性。因此，LED驅(qū)動(dòng)通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)。

　　3 LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　由LED的工作原理知道，要使LED保持最佳的亮度狀態(tài)，需要恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)的任務(wù)既要保持恒流特性，還要保持較低的功耗。為了滿足以上要求，通常采用的控制電流的方法有：通過(guò)調(diào)節(jié)限流電阻的大小實(shí)現(xiàn)控制電流;通過(guò)調(diào)節(jié)限流電阻上的基準(zhǔn)電壓來(lái)調(diào)節(jié)電流;PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)電流控制。LED的驅(qū)動(dòng)技術(shù)與開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的技術(shù)十分類(lèi)似，LED驅(qū)動(dòng)電路是一種電源轉(zhuǎn)換電路，但輸出的是恒定電流而非恒定電壓。無(wú)論在任何情況下，都要輸出恒定而平均的電流，紋波電流要控制在一定的范圍內(nèi)。

　　⑴　限流法

　　如圖2所示，這是傳統(tǒng)的電路。電網(wǎng)電壓通過(guò)降壓、整流、濾波后，通過(guò)電阻限流使LED穩(wěn)定工作。這種電路的致命缺點(diǎn)是：電阻R上的功耗直接影響了 系統(tǒng)的效率，再加上變壓器損耗，系統(tǒng)效率約50%。當(dāng)電源電壓在±10%的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，流過(guò)LED的電流變化將≥25%，LED上的功率變化超過(guò) 30%。電阻限流的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)電磁干擾;但是電流會(huì)隨著VF的變化而改變亮度，效率很低，散熱難。

　　圖2 限流法

　　⑵　穩(wěn)壓法

　　圖3是在圖2的基礎(chǔ)上加了一個(gè)集成穩(wěn)壓元件MC7809，使輸出端的電壓基本穩(wěn)定在9V，限流電阻R可用得很小，不會(huì) 造成LED的電壓不穩(wěn)。但是，此電路效率還是低。因?yàn)镸C7809和R1上的壓降仍占很大比例，其效率約為40%左右。這就稱(chēng)不上是節(jié)能照明產(chǎn)品。為了達(dá) 到既能使LED穩(wěn)定工作，又能保持高的效率，應(yīng)采用低功耗的限流元件和電路來(lái)使系統(tǒng)效率提高。線形穩(wěn)壓法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外部元件少、效率中等、成本較低。

　　圖3 穩(wěn)壓法

　　⑶　PWM法

　　PWM脈寬調(diào)制，即用脈寬調(diào)制的方法，改變LED驅(qū)動(dòng)電流的脈沖占空比來(lái)控制光的亮度。是利用簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖，反復(fù)開(kāi) 關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光技術(shù)。使用者只需提供寬、窄不同的數(shù)字脈沖，即可實(shí)現(xiàn)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度。此驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是，通過(guò)一個(gè)電感器 將能量傳遞給負(fù)載，通常是用一個(gè)PWM控制信號(hào)，對(duì)MOSFET晶體管觸發(fā)導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)改變PWM的占空比和電感器的充放電時(shí)間，對(duì)輸入電壓和 輸出電壓的比率進(jìn)行調(diào)節(jié)。這類(lèi)電路常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)包括降壓、升壓、降壓-升壓等類(lèi)型。優(yōu)點(diǎn)是高效、穩(wěn)定，但容易產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲，成本高，設(shè)計(jì)復(fù)雜。

　　圖4 PWM法

　　圖4的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管VQ1的基極連接到P溝道MOS管的柵極上。P溝道MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)，采用簡(jiǎn)單的NPN三極管驅(qū)動(dòng)放大電路，以改 善MOS管的導(dǎo)通過(guò)程，減少驅(qū)動(dòng)電源的功率。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)MOS管時(shí)，會(huì)引起被驅(qū)動(dòng)MOS管的快速開(kāi)通和關(guān)斷，這就可能造成被驅(qū)動(dòng)MOS管漏源極間 電壓的振蕩。一則引起射頻干 擾，二則有可能造成MOS管遭受過(guò)高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問(wèn)題，需在被驅(qū)動(dòng)MOS管的柵極與驅(qū)動(dòng)電路的輸出之間串聯(lián)一只無(wú)感電阻。當(dāng)PWM波輸出 高電平時(shí)，三極管VQ1導(dǎo)通，從而使MOS管的柵極電壓低于源極電壓，MOS管的源極和漏極導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮。當(dāng)PWM波輸出低電平時(shí)，VQ1截 止，LED熄滅。

　　4 典型照明LED驅(qū)動(dòng)方案

　　目前全球LED市場(chǎng)主要有日本的日亞化學(xué)(Nichia)、豐田合成(ToyodaGosei)、美國(guó)Cree公司、歐洲飛利浦(PhilipsLumileds)和歐司朗(Osram)5家掌控。照明LED驅(qū)動(dòng)芯片制造商，國(guó)內(nèi)利用較多的有華潤(rùn)矽威科技和臺(tái)灣點(diǎn)晶科技的產(chǎn)品，國(guó)外利用較多的有安森美和美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體等芯片。

　　(1)華潤(rùn)矽威的LED驅(qū)動(dòng)芯片

　　華潤(rùn)矽威科技最新推出的PT4207采用SOP8封裝，是一款高壓降壓式LED驅(qū)動(dòng)控制芯片，能適應(yīng)從18V到450V的輸入電壓范圍，可支持上 百個(gè)LED的串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，占空比最高可達(dá)100%，以保證系統(tǒng)的高效能。內(nèi)置輸入電壓補(bǔ)償功能，極大改善了PT4207在不同輸入電壓下的LED電流 穩(wěn)定性。PT4207內(nèi)置一個(gè)350mA開(kāi)關(guān)，并配備外部MOS開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)端口。對(duì)于350mA以下的應(yīng)用無(wú)需外部MOS開(kāi)關(guān)，對(duì)于高于350mA的應(yīng)用可 采用外部MOS管擴(kuò)展電流。LED電流可通過(guò)外部電阻設(shè)定。通過(guò)多功能調(diào)光DIM管腳，可使用電阻或DC電壓線性調(diào)節(jié)LED電流，也可使用數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn) 行PWM調(diào)光。PT4207具有多種保護(hù)功能，包括負(fù)載短路保護(hù)、開(kāi)路保護(hù)、過(guò)溫度保護(hù)等。適合AC/DC LED日光燈、RGB背光LED驅(qū)動(dòng)、LED環(huán)境裝飾燈等各種應(yīng)用。PT4207的典型應(yīng)用線路如圖5所示。

　　圖5 LED日光燈驅(qū)動(dòng)芯片PT4207典型應(yīng)用線路

　　(2)安森美LED驅(qū)動(dòng)芯片

　　安森美半導(dǎo)體NCL30000是一款極佳的產(chǎn)品，成本低，性能佳。這器件集成了PFC、DC-DC轉(zhuǎn)換和LED驅(qū)動(dòng)器，簡(jiǎn)單易用，其小型SOIC 封裝也有利于小巧設(shè)計(jì)和低成本。NCL30000采用緊湊型的8引腳表面貼裝封裝，使用臨界導(dǎo)電模式反激架構(gòu)，以單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在寬AC輸入電壓范圍內(nèi) 提供大于0.95的高功率因數(shù)。典型應(yīng)用包括LED驅(qū)動(dòng)器電源、LED嵌燈、三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)組件(TRIAC)可調(diào)光LED燈及功率因數(shù)校正恒壓電 源。其典型應(yīng)用原理圖如圖6所示。

　　圖6 NCL30000 典型應(yīng)用原理圖

　　(3)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LED驅(qū)動(dòng)芯片

　　恒流降壓型，Vin范圍：LM3405 3V -15V/LM3405A 3V-22V;基準(zhǔn)電流源：200mV;工作頻率：0.550/1.6MHZ;PWM調(diào)光。典型應(yīng)用為：家用照明、路燈、廣告裝飾等。LM3405典型應(yīng)用原理圖見(jiàn)圖7。

　　圖7 LM3405典型應(yīng)用原理圖

　　(4)臺(tái)灣點(diǎn)晶科技LED驅(qū)動(dòng)芯片

　　DM413是全彩驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)置灰度產(chǎn)生器，采用PWM脈寬調(diào)制方式。專(zhuān)為L(zhǎng)ED 照明、裝飾、大屏顯示等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。最大恒流輸出：100mA;最大輸出承受電壓： 17V;最大串行時(shí)鐘頻率：20MHz;芯片工作電壓：3.3V--5.5V。DM413具有若干信號(hào)輸入輸出引腳及多個(gè)功能設(shè)定引腳。信號(hào)通過(guò)輸入接口 給DM413相應(yīng)的輸入引腳。3個(gè)輸出引腳用于連接LED，可分配給R，G，B三個(gè)顏色，同一個(gè)輸出引腳接相同顏色的LED，根據(jù)配色需要，每個(gè)輸出引腳 可接一個(gè)或多個(gè)LED。控制器輸出接口具有三條信號(hào)線：

一條串行數(shù)據(jù)輸出線，一條時(shí)鐘信號(hào)輸出線及一條鎖存信號(hào)線。這三條線分別接到驅(qū)動(dòng)芯片相應(yīng)的3個(gè)引 腳上。和一般的串行移位機(jī)制相同，在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，串行數(shù)據(jù)在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部移位寄存。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送接收完畢，控制器向驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送鎖存信號(hào)，使LED驅(qū) 動(dòng)芯片鎖存已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，同時(shí)會(huì)根據(jù)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。該方式控制LED以人眼分辨不出的高頻率快速亮滅，根據(jù)芯片所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)設(shè)定亮和滅所占 的比例，即實(shí)現(xiàn)灰度級(jí)別的控制。DM413的典型應(yīng)用原理圖見(jiàn)圖8。

　　圖8 DM413典型應(yīng)用原理圖

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述可以看出，LED在工作時(shí)需要有穩(wěn)流、穩(wěn)壓的元件，但是此類(lèi)元件應(yīng)具備自身承擔(dān)的分壓高但功耗要小的特性。所以，應(yīng)盡可能采用電容、電感或 有源開(kāi)關(guān)電路等高效電路，這樣才能保證LED系統(tǒng)的高效率。